Этап № 2. Расчет уровня взрывоопасности технологической системы «рвс – лвж»

Цель работы: приобретение, отработка и закрепление практических умений и навыков применения теоретических знаний при решении практических задач, связанных с оценкой пожарной опасности технологических систем.

Постановка задачи

Одним из основных параметров при анализе риска пожара является уровень взрывоопасности технологической системы. Уровень взрывоопасности изменяется в пределах от нуля до единицы.

Под уровнем взрывоопасности технологической системы (рис. 2.1) понимают отношение суммы периодов τ_ВОК, когда рабочая концентрация пара ЛВЖ (φ_п) внутри системы находится в области взрывоопасных значений, к определенному периоду функционирования τ_функ, например, к году, т. е.

(2.1)

Рис. 2.1. Расчетная схема к определению уровня взрывоопасности

Наибольшая сложность возникает при определении концентрации пара жидкости в аппарате при воздействии на технологическую систему ряда различных возмущающих факторов. Для этой цели, как правило, проводят специальные исследования, на основе которых разрабатывают методы расчета уровня взрывоопасности технологических систем.

В основу метода расчета уровня взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ» положены результаты исследований, проведенных в Академии ГПС МЧС России по изучению пожарной опасности технологии хранения нефтепродуктов в стальных вертикальных резервуарах со стационарной крышей.

Здесь в настоящей работе отрабатывается метод расчета уровня взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ».

Задание

1. Записать название работы, а также содержание задачи, на решение которой направлено выполнение данной работы.

2. Изучить основные положения метода расчета уровня взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ» и порядок выполнения работы.

3. Рассчитать уровень взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ».

4. Сделать выводы по результатам количественного анализа пожарной опасности.

5. Сформулировать меры пожарной безопасности, направленные на повышение устойчивости технологической системы «РВС – ЛВЖ» к возникновению пожара.

Метод расчета уровня взрывоопасности технологической системы «рвс – лвж»

Источником существенных тепловых изменений, происходящих в резервуаре, является солнечная радиация. Тепловой поток от солнца приводит к нагреву металлической оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара. От нагретых стенок и крыши резервуара тепло теряется в окружающий воздух посредством конвективно-лучистого теплообмена, а также передаётся паровоздушной смеси внутри резервуара и поверхностному слою. Последний отдаёт часть тепла посредством теплопроводности нижележащим слоям, другая часть тепла тратится на испарение, а основная масса полученного поверхностным слоем тепла идёт на изменение его внутренней энергии, т.е. на увеличение температуры.

Следует отметить, что температура основной массы ЛВЖ в РВС стремится к значению среднемесячной температуры окружающего воздуха, а температура поверхностного слоя ЛВЖ является функцией теплового режима резервуара, которая может на 10 …. 20^о градусов превышать значение основной массы ЛВЖ в резервуаре.

Закономерности изменения суточных температур поверхностно­го слоя обуславливают характер изменения концентрации паров ЛВЖ в пограничном слое. Можно выделить (рис.2.2) следующие характерные периоды существования взрывоопасных концентраций паров ЛВЖ в РВС.

Рис.2.2. Характерные периоды существования

взрывоопасных концентраций паров (φ_вок):

а) в течение суток φ_п не достигает φ_нкпр;

б) в ночное, утреннее и вечернее время находится φ_п < φ_нкпр, днем - φ_п в пределах φ_вок;

в) в течение суток находится φ_п в пределах φ_вок;

г) в ночное время находится φ_п < φ_нкпр, днем - φ_п > φ_вкпр, утром и вечером - φ_п в пределах φ_вок;

д) ночью, утром и вечером находится φ_п в пределах φ_вок, днем - φ_п > φ_вкпр;

е) в течение суток φ_п > φ_вкпр.

ЛВЖ, при хранении которых в РВС, образование взрывоопасных концентраций характерно только в летний период года, т.е температура поверхностного слоя ЛВЖ способна превысить нижний предел распространения пламени, но не способна достигать верхний предел распространения пламени, будем относить к группе «околопредельная ЛВЖ».

В течение суток при воздействии солнечной радиации изменение температуры окружающего воздуха, металлической оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, и температуры поверхностного слоя ЛВЖ в резервуаре, как правило, подчиняется синусоидальному закону (рис.2.3).

Рис. 2.3.

Закономерности

образования

взрывоопасных

концентраций паров

в пограничном слое над поверхностью ЛВЖ в РВС при воздействии солнечной радиации

Для описания температуры поверхностного слоя ЛВЖ в РВС при воздействии на него солнечной радиации может быть использовано уравнение

(2.2)

где t_п.сл - текущая температура поверхностного слоя ЛВЖ;

t_п.сл-max - максимальная температура поверхностного слоя ЛВЖ;

t_ж – температура основной массы ЛВЖ;

τ_с - продолжительность теплового воздействия солнечной радиации от момента восхода солнца;

τ_дн - общая продолжительность теплового воздействия солнечной радиации (продолжительность светового дня).

После захода солнца, а также в несолнечные дни температура поверхностного слоя стремится к температуре основной массы ЛВЖ, так как она имеет большой тепловой эквивалент. Температуру основной массы ЛВЖ в резервуаре принимают равной среднемесячной температуре окружающего воздуха.

Существует несколько расчетных методов определения максимальной температуры поверхностного слоя ЛВЖ в резервуаре, разработанных в области расчета потерь нефти и бензинов от испарения из резервуаров. Они могут быть удачно использованы для решения вопросов пожарной безопасности. Один из методов расчета основан на решении уравнения Фурье при синусоидальном изменении температуры на поверхности полубесконечного тела.

Расчетная формула имеет вид

, (2.3)

где q_л - тепловая нагрузка на резервуар от солнечной радиации, Вт∙м^-2;

α _w-f - коэффициент теплоотдачи в сложном лучисто-конвективном теплообмене от оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, в окружающий воздух, Вт∙м^-2∙К^-1;

α_п.w-ж - приведенный коэффициент теплоотдачи от оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, к поверхностному слою ЛВЖ, Вт∙м^-2∙К^-1;

α_{w - ж} - коэффициент теплоотдачи излучением от оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, к ЛВЖ, Вт∙м^-2∙К^-1;

α_п-ж - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к поверхностному слою ЛВЖ, Вт∙м^-2∙К^-1;

t_f-max - максимальная среднемесячная температура окружающего воздуха, ^oC;

t_f - среднемесячная температура окружающего воздуха, ^oС;

m_ж - показатель температурного поля в поверхностном слое ЛВЖ, м^-1;

λ _ж - коэффициент теплопроводности ЛВЖ, Вт∙м^-1∙К^-1;

α_w-п - коэффициент теплоотдачи в сложном лучисто-конвективном теплообмене от оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, к паровоздушной смеси, Вт∙м^-2∙К^-1;

f_ж - площадь зеркала ЛВЖ в резервуаре, м²;

f_об - площадь оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара, м²;

t _ж - температура основной массы ЛВЖ, ^oС.

Допускается принимать в расчете следующие значения коэффициентов:

• λ_ж = 0,11 Вт∙м^-1∙К^-1;

• α_w-f = 10,7 Вт∙м^-2∙К^-1;

• α_п.w-ж = 0,73 Вт∙м^-2∙К^-1;

• α_п-ж = 5,3 Вт∙м^-2∙К^-1;

• α_w-ж = 5,3 Вт∙м^-2∙К^-1;

• α_w-п = 2,5 Вт∙м^-2∙К^-1.

Остальные величины определяют по следующим формулам:

• максимальная среднемесячная температура окружающего воздуха

t_f-max = t_f + t_f-mах/2. (2.4)

Температуру основной массы ЛВЖ t_ж в резервуаре принимают равной среднемесячной температуре окружающего воздуха (t_f). Значения температуре окружающего воздуха и максимальной амплитуды колебаний температуры окружающего воздуха (t_f-mах) определяют по СНиП «Строительная климатология).

• площадь зеркала испарения ЛВЖ в резервуаре

f_ж = π d_р²/4, (2.5)

где d_р - диаметр резервуара, м;

• площадь оболочки, ограничивающей газовое пространство резервуара,

f_об = f_ж + π d_р (h_р – h_ж), (2.6)

где h_р - высота резервуара, м; h_ж - высота (уровень) взлива ЛВЖ в резервуаре, м;

• площадь оболочки, м², ограничивающей газовое пространство резервуара, на которую воздействует солнечная радиация, определяют как аппроксимацию на плоскость, перпендикулярную направлению солнечных лучей:

f_л = d_р (h_р –h_ж ) sin (ψ – ξ) + f_ж cos (ψ – ξ), (2.7)

где ψ - географическая широта местности, ^o; ξ - усредненное значение расчетного склонения солнца, ^o;

• усредненное значение расчетного склонения солнца для текущего месяца определяется годовым ходом изменения склонения солнца, соответствующим схеме движения земного шара по орбите вокруг Солнца

ξ = 22,7 sin (295 - 30 №_м), (2.8)

где №_м – порядковый номер месяца года;

• плотность падающего теплового потока от Солнца на площадку, нормальную к направлению солнечных лучей (формула Бугера-Бертрана),

, (2.9)

где 1325 - солнечная постоянная, Вт∙м^-2; ρ_ат - коэффициент прозрачности атмосферы (допускается принимать равным 0,7);

• тепловая нагрузка на резервуар от солнечной радиации

q_л = ε_w q_с f _л /f_об. (2.10)

Степень черноты оболочки резервуара ε_w, окрашенной алюминиевой краской годичной давности, допускается принимать равной 0,7;

• показатель температурного поля в поверхностном слое ЛВЖ, м^-1

(2.11)

где ρ_ж - плотность жидкости, кг∙м^-3; с_ж - теплоемкость жидкости, Дж∙кг^–1∙К^–1 (при отсутствии справочных данных допускается принимать равной 2000 Дж∙кг^–1∙К^–1).

Продолжительность светового дня τ_дн в №-_м месяце целесообразно принять по справочным данным для соответствующей географической широты местности. Допускается использовать следующую приближенную формулу

τ_дн = 11,9 + 5,7 sin (267 - 27 №_м). (2.12)

По модели синусоидального изменения температур (рис. 2.3) не представляет труда определить продолжительность периода существования взрывоопасной концентрации внутри РВС при хранении ЛВЖ

, (2.13)

где ;

t_нп - нижний температурный предел распространения пламени, ^оС;

t_ж - температура основной массы ЛВЖ, ^оС;

t_п.сл-max - максимальная температура поверхностного слоя ЛВЖ; ^оС.

Прежде чем определять значение τ_вок, следует проанализировать значение θ.

При:

• θ >1 - φ_вок внутри системы не образуются, так как t_п.сл-max < t_нп;

• θ<0 - φ_вок будут существовать в течение суток, так как t_ж > t_нп;

• 0 < θ < 1 - значение τ_вок определяют по формуле (2.13).

Уровень взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ» в i-м месяце определяют из соотношения

, (2.14)

где N_с.дн и N_дн - число солнечных дней и число дней в месяце соответственно.

Меры пожарной безопасности,

направленные на повышение устойчивости технологической системы

«РВС – ЛВЖ» к возникновению пожара

1. Применение для хранения ЛВЖ резервуаров с понтонами.

2. Использование защитного газа (азот или метан) в герметизированных технологиях хранения для резервуаров со стационарными крышами.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить исходные данные для выполнения работы по следующей форме:

• регион расположения склада ________________;

• географическая широта местности, ψ = __ ^о;

• число безоблачных дней в июле, N_с.дн = ___;

• среднемесячная температура окружающего воздуха для июля, t_f = ______ ^оС;

• максимальная суточная амплитуда колебаний температуры окружающего воздуха для июля, t_f-mах =____ ^oC;

• наименование хранимой ЛВЖ ______________

• нижний температурный предел распространения пламени, t_нп = __^оС;

• плотность ЛВЖ, ρ_ж = кг∙м^-3;

• диаметр РВС, d_р = _______м;

• высота РВС, h_р = ______м;

• уровень взлива ЛВЖ в РВС, h_ж = ______ м

2. Расчет уровня взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ» проводят по выше приведенной методике, используя следующий алгоритм расчета:

На первом этапе расчета определяют месяц года, для которого следует ожидать наиболее высокий уровень взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ».

Для определения месяца года, для которого следует ожидать наиболее высокий уровень взрывоопасности технологической системы «РВС – ЛВЖ», строят график: «Закономерности изменения температуры ЛВЖ в резервуаре со стационарной крышей в течение года». Ось абсцисс разбивают на 12 частей в соответствии с порядковым месяцем года. По оси ординат откладывают шкалу температур. Используя данные таблицы «Статистические данные по метеоусловиям региона» (см. работу №1) для каждого месяца на графике откладывают текущее значение температуры основной массы ЛВЖ, равной среднемесячной температуре окружающего воздуха, а также возможное значение температуры поверхностного слоя, которое может превышать температуру основную массу жидкости на 20 ^о.

На этом же графике откладывают значения нижнего и верхнего температурного предела распространения пламени.

Анализируя полученные результаты, делают выводы о месяце года, для которого следует ожидать наиболее высокий уровень взрывоопасности технологической системы. Далее для этого месяца года рассчитывают фактический уровень взрывоопасности технологической системы.

На втором этапе расчета определение максимальной температуры поверхностного слоя ЛВЖ в РВС производят по следующему алгоритму:

• максимальная среднемесячная температура окружающего воздуха (формула (2.4));

• площадь зеркала испарения ЛВЖ в РВС (формула (2.5));

• площадь оболочки, ограничивающей газовое пространство РВС (формула (2.6));

• площадь оболочки, ограничивающей газовое пространство РВС, на которую воздействует солнечная радиация (формула (2.7));

• усредненное значение расчетного склонения солнца (формула (2.8));

• плотность падающего теплового потока от солнца (формула (2.9));

• тепловую нагрузку на РВС от солнечной радиации (формула (2.10));

• показатель температурного поля в поверхностном слое ЛВЖ (формула (2.11));

• продолжительность светового дня (формула (2.12));

• максимальную температуру поверхностного слоя ЛВЖ в РВС (формула (2.3));